【導讀】現(xiàn)今社會對電能質(zhì)量要求日益提高，而電網(wǎng)電能污染卻日趨嚴重，指標的概念和計算方法；數(shù)的數(shù)字化實現(xiàn)方法；架，詳細設(shè)計各功能模塊；技術(shù)的不斷發(fā)展。虛擬儀器具有豐富的軟件功能、簡單的硬件結(jié)構(gòu)、高度的智能化等特點。分析系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)功能單一、升級復雜、成本高等缺點。平衡度、電網(wǎng)諧波等電力參數(shù)進行監(jiān)測，并且具有一定的分析功能。測裝置的缺陷，分析了利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的可行性。標的數(shù)學模型進行了研究和離散化處理。接著確定了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，重點論述。指出本課題的進一步研究工作展望與設(shè)想。

　　

【正文】 (G 語言 )的開發(fā)環(huán)境，它將直觀的前面板與流程圖式的編程方法結(jié)合起來，是開發(fā)虛擬儀器的強大和理想的工具 。 [1] 在 LabVIEW 中，一個虛擬儀器 (VI)程序由兩部分組成 :前面板 (Front Panel)和流程圖 (Block Diagram)。前面板對應于傳統(tǒng)電子儀器的控制面板，是圖形化的用戶界面，用戶可通過前面板對儀器進行設(shè)置。在前面板上，用戶的輸入是通過被稱為 Control 摸板 的輸入控件實現(xiàn)的，程序運行的結(jié)果輸出則由 Control 模板的Indictor控件來實現(xiàn)。虛擬儀器輸出結(jié)果非常豐富，既可以輸出數(shù)據(jù)，又可以輸出各種圖形，還可以保存為純 文本、 二進制文件 等多種文件格式 。 LabVIEW 的特點 與其它編程語言相比， LabVIEW 具有以下特點 : 1） LabVIEW 采用了 可 視化編程技術(shù)，在前面板上提供了工業(yè)領(lǐng)域多種顯示和控制對象，如開關(guān)、旋鈕、 LED 指示燈、儀表、圖形等。同時，用戶還可以對這些對象進行修改以適合不同需要。 LabVIEW 平臺內(nèi)部集成了大量功能強大的函數(shù)庫供用戶直接調(diào)用，從底層 VXI, GPIB、串口及數(shù)據(jù)采集板的控制子程序到大量的儀器驅(qū)動程序，從基本的功能函數(shù)到高級分析庫、涵蓋了儀器設(shè)計中所需要的幾乎所有函數(shù)。 2） LabVIEW 內(nèi)置的程序編譯器采用編譯方式運行 32 位應用程序，解決了其它按解釋方式工作的圖形編程平臺速度慢的問題，其速度大體相當于編譯 C 的速 度，因此編制出的虛擬儀器程序執(zhí)行效率高。 3) LabVIEW 支持的數(shù)據(jù)類型于其他高級語言 (如 C 語言 )相同，包括 :數(shù)值型，文本型，布爾型，串和簇 (相當于 C語言中的結(jié)構(gòu) )，同時它和 C語言一樣支持順序、循環(huán)、選擇等結(jié)構(gòu)，具有自動報錯和處理功能。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 15 頁 4)在 LabVIEW 環(huán)境下也可以設(shè)定程序斷點，進行帶數(shù)據(jù)探針的單步運行，加亮執(zhí)行程序進行數(shù)據(jù)流追蹤。這些功能使程序的開發(fā)調(diào)試變得更為容易。 5 ) LabVIEW 是開放式的開發(fā)平臺，可以通過 DLL(動態(tài)鏈接庫 )接口和 CIN(代碼接口節(jié)點 )，調(diào)用其 它編程軟件 (如 VC++, C)平臺編譯的模塊。 6)LabVIEW 提供對 TCP/IP, UDP 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，可以實現(xiàn)儀器測量網(wǎng)絡(luò)化。 LabVIEW 中的常用數(shù)據(jù)類型 LabVIEW 的數(shù)據(jù)類型與傳統(tǒng)編程語言中的數(shù)據(jù)類型基本類似，除了具有一般的數(shù)據(jù)類型之外，還有一些獨特的數(shù)據(jù)類型。 表 31列出了 LabVIEW中常用的幾種數(shù)據(jù)類型及其相對應的前面板對象的默認值、端口圖標和連線形式。每種類型的端口圖標都有一種顏色，以示區(qū)別?？刂贫丝趫D標的邊框為粗實線，端口右側(cè)有一個享有的箭頭，表示輸出數(shù)據(jù)，指 示端口的圖標的邊框為細實線，端口左側(cè)有一個向左的箭頭，表示輸入數(shù)據(jù)。 表 31 LabVIEW 中常用的幾種數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)類型 默認值 端 口 圖 標 連線形式 雙精度浮點 枚舉 —— 布爾 False 字符串 空字符 數(shù)組 —— 簇 —— 路徑 空路徑 動態(tài)數(shù)據(jù) —— 波形數(shù)據(jù) —— 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 16 頁 采用 LabVIEW 編制虛擬儀器程序的步驟 在編制虛擬儀器程序前， 必須首先對程序進行總體設(shè)計分析 :一是確定程序要實現(xiàn)的功能、要顯示的圖形圖像、要輸出的報表 。二是確定程序的層次關(guān)系，如主程序和子程序之間的關(guān)系、虛擬儀器程序與硬件的連接關(guān)系等。 在完成虛擬儀器程序總體設(shè)計后，就可在前面板上布置實現(xiàn)所需功能的顯示對象，這些對象包括開關(guān)旋鈕控制、數(shù)據(jù)顯示、表頭、波形顯示、相量圖、頻譜圖顯示等，前面板布置好這些對象后，工程技術(shù)人員通過鼠標、鍵盤就可像操作傳統(tǒng)儀器一樣地操作虛擬儀器。 在 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境中，后臺流程圖與前 面板控制顯示對象對應，開發(fā)人員的任務(wù)是通過連接不同功能的函數(shù)模塊使數(shù)據(jù)流從輸入對象經(jīng)過處理傳送到輸出對象。與傳統(tǒng)的文本式程序設(shè)計一樣， LabVIEW 也有 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流編程部分 ，包括 順序（ Sequence）、條件（ case）、 For 循環(huán)、 While 循環(huán)、事件等結(jié)構(gòu)，如圖 31所示。 圖 31 LabVIEW 中的主要結(jié)構(gòu)函數(shù) 這些結(jié)構(gòu)被描述成圖形化的邊界結(jié)構(gòu)，開發(fā)人員不必注意傳統(tǒng)程序設(shè)計所需的語法細節(jié)，只需直接將它們連接起來就可完成數(shù)據(jù)傳遞。在編制大型復雜的虛擬儀器應用程序時，由于所用模塊很多，這時必 須考慮程序的層次結(jié)構(gòu)，這可以通過靈活編制子程序、采用更為簡單高效的計算原理等方式來實現(xiàn)。 和傳統(tǒng)程序一樣，在編制虛擬儀器程序時，需要不斷對程序進行調(diào)試分析，LabVIEW 程序調(diào)試功能十分強大易用，可以靈活設(shè)定程序斷點，進行帶數(shù)據(jù)探針的單步運行，加 亮 執(zhí)行程序進行數(shù)據(jù)流追蹤判斷。同時， LabVIEW 是目前唯一帶有編輯器的圖形化編程環(huán)境，它可根據(jù)用戶編制程序自動產(chǎn)生最優(yōu)化代碼，加快程序運 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 17 頁 行速度。另外，用戶還可以利用內(nèi)置的繪圖器對程序代碼部分進行分析和優(yōu)化。 采用 LabVIEW 實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理 LabVIEW 之所以強大易用，很大程度上是因為 LabVIEW 內(nèi)置了極其豐富的數(shù) 據(jù)分析處理函數(shù)模塊 。 可以說，正是因為采用了這些由軟件實現(xiàn)的功能模塊，替代了原來必須用硬件完成的數(shù)字信號處理分析功能，才出現(xiàn)了“軟件就是儀器”的概念，開發(fā)出的儀器才被稱為虛擬儀器。 這部分模塊與 DAQ 硬件系統(tǒng)結(jié)合，可以將已經(jīng)過信號調(diào)理和 A/D 轉(zhuǎn)換 的 外界信號與流程圖進行接口，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的輸入， 在頻譜分析中使用平滑窗口能夠減少在離散數(shù)據(jù)塊下使用 FFT而產(chǎn)生的頻譜泄漏。傅立葉 變換方法的基本假設(shè)會在頻域內(nèi)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生意外尖峰和頻譜泄漏，而利用 合適的平滑窗口能夠消除頻譜泄漏。 數(shù)字濾波器可以消除由電于元件產(chǎn)生的噪聲信號，或者由環(huán)境影響產(chǎn)生的噪聲。 LabVIEW 軟件有三種類型的濾波器， IIR 濾波器、 FIR 濾波器以及非線性響應濾波器。 計算機進行數(shù)字信號處理時，需要對時域信號進行離散采樣，轉(zhuǎn)換到頻域進行頻譜分析，它反映的一些信息是時域分析中得不到的。 LabVIEW 內(nèi)置了這些變換必須的函數(shù)模塊，典型的如 FFT，在虛擬儀器程序中，用戶直接調(diào)用即 可，非常方便，見圖（ 32）。 圖 32 時頻域轉(zhuǎn)換函數(shù) LabVIEW 的儀器驅(qū)動 儀器驅(qū)動是一套高級、具有指導性的功能，它將硬件和軟件緊密結(jié)合起來，用來控制 GPIB, VXI, RS232, RS485， 或基于計算機的儀器 I/0 接口程序。儀器驅(qū)動程序是提高虛擬儀器程序運行效率的關(guān)鍵。一個儀器驅(qū)動程序功能包括儀器命 令 的語法、 I/0 接口協(xié)議、數(shù)據(jù)語法分析以及掃描等。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 18 頁 第四章 基于虛擬儀器的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的工作原理 虛擬儀器技術(shù)是一種基于計算機的實時測控技術(shù)，它使現(xiàn)代測試儀器不但具有傳統(tǒng)儀器、 儀表的全部功能，同時還可以充分地利用計算機強大的信息處理能力、存儲容量和網(wǎng)絡(luò)功能，解決電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測中的數(shù)據(jù)讀取、存儲、分析以及遠程傳輸?shù)?，此外虛擬儀器具有功能豐富的面板，使得測量結(jié)果更加直觀清晰。 本章首先介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，然后詳細地闡述了系統(tǒng)硬件部分的方案設(shè)計和軟件設(shè)計思路，最后介紹該系統(tǒng)中電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)測的數(shù)字化處理方法。 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 基于虛擬儀器的電能質(zhì)量參數(shù) 分析 系統(tǒng)同樣必須具備傳統(tǒng) 監(jiān)測分析 系統(tǒng)的三大功能模塊 ： 數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊和結(jié)果顯示模塊。數(shù)據(jù)采集 模塊還是由傳統(tǒng)的采集硬件來完成，不同的是數(shù)據(jù)分析處理模塊 和結(jié)果顯示模塊 完全由計算機軟件實現(xiàn)，這部分功能不受硬件限制，可以根據(jù)用戶的需求可以隨時增加修改模塊，這一優(yōu)勢是傳統(tǒng)儀器所無法比擬的 。 對于本論文所研究的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測 分析 系統(tǒng)，軟件部分是核心，只要硬件部分將監(jiān)測點的電壓和電流信號經(jīng)信號調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡以最小失真度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其余的任務(wù)如濾波、加窗、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)遠傳以及顯示打印等完全交給軟件來處理?？傮w來說，基于虛擬儀器思想所建立的電能質(zhì)量 分析 系統(tǒng)由兩大部分組成 ： 硬件部分和軟件部分 。 系 統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 41 所示。 系統(tǒng)的硬件部分 本系統(tǒng)采用了虛擬儀器技術(shù)，該技術(shù)的核心是使用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)監(jiān)測 分析 系統(tǒng)中關(guān)于數(shù)據(jù)分析處理的硬件模塊。這并不是說明系統(tǒng)不需硬件支持，軟件畢竟要建立在硬件基礎(chǔ)之上。在本論文所研究的基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)中，基本的硬件部分包括 ： 傳感器、信號調(diào)理器、信號采集卡、計算機系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)如圖 42 所示。 〔 19〕 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 19 頁 圖 41 總體結(jié)構(gòu)圖 圖 42 硬件結(jié)構(gòu)圖 1. 傳感器 模擬信號在進入數(shù)據(jù)采集卡之前應先通過傳感器變換成符合采集卡量程要求的電壓、電流信號。這里就要把被測的強電信號轉(zhuǎn)換成弱電信號，出于對系統(tǒng)的可靠性及安全性方面的考慮，儀器與各種強電信號在電氣上必須是隔離的，不能把電壓和電流信號直接送到數(shù)據(jù)采集卡，因此使用了電壓互感器 (PT)和電流互感器 (CT)。為了方便測量，在這一環(huán)節(jié)中，傳感器的選擇是至 關(guān) 重要的，如果選取的傳感器精度不夠，線性度不好，無論是信號轉(zhuǎn)換或信息處理，或者最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制都無法實現(xiàn)， 相 應的后續(xù)分析工作 也就 變得毫無意義。 在本系統(tǒng)中，傳感器采用的是基于霍爾原理的閉環(huán)補償電壓互感器和電流互感器。具有精度高、線性好、頻帶寬、響應快、過載能力強和不損失測量電路能量等傳感器 信號調(diào)理電路 數(shù)據(jù)采集卡 計算機 原始電壓信號 原始電流信號 傳感器 信號調(diào)理（多路電氣量隔離、放大、濾波、線性化變換） 信號采集卡 裝有虛擬儀器軟件的計算機 數(shù) 據(jù) 處理分 析 數(shù)據(jù)通信 數(shù)據(jù)存儲 報表打印 結(jié)果顯示 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 20 頁 優(yōu)點 。 2. 信號調(diào)理器 儀器信號調(diào)理是一種高性能、多通道的信號調(diào)理與開關(guān)平臺，適用于 E 系列插入式測量設(shè)備和其它相關(guān)測量設(shè)備的前端信號調(diào)節(jié)。一個信號調(diào)理系統(tǒng)通常包括一個或者多個堅固的機箱，機箱中可以安裝各種不同的信號調(diào)理模塊以滿足系統(tǒng)對I/O 的需求。儀器信號調(diào)理模塊可以在系統(tǒng)中各種傳感器與信號間建立一個接口，借助高性能、低噪音的信號調(diào)理功能，來提 高測試質(zhì)量與可靠性，這些信號調(diào)理功能包括 ： 信號放大、隔離、多路復用、濾波、傳感器激勵、同步采樣與保持 。 (1)信號放大 放大是最為普遍的信號調(diào)理功能。對信號進行放大可以提高分辨率和降低噪聲。為了得到最高的分辨率，要對信號放大以使調(diào)理后信號的最大電壓范圍和 模數(shù)轉(zhuǎn)換（ A/D） 的最大輸入范圍相等。同時，信號調(diào)理系統(tǒng)有多種信號調(diào)理模塊可以放大輸入信號。在臨近傳感器的信號調(diào)理機箱內(nèi)對低電壓信號進行放大，然后把放大后的高電壓信號傳送到 PC，從而最大限度地降低噪聲對讀數(shù)的影響。 (2)隔離功能 隔離功能是為了安全 的目的把傳感器的信號和計算機相隔離。被監(jiān)測的系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓，如果不使用 隔離 ，這種高壓會對計算機造成損害。另外使用隔離可以確保插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的讀數(shù)不會受到接地電勢 差或共模電壓的影響。 當數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入和所采集的信號使用不同的參考地線 時 ， 一旦這兩個參考地線有電勢差，就會帶來麻煩， 這種電勢差會產(chǎn)生所謂的接地回路，這樣就將使所采集信號的讀數(shù)不準確 ； 或者如果電勢差太大，它也會對測量系統(tǒng)造成損害。使用隔離式信號調(diào)理能消除接地回路并確保信號可以被準確地采集。 (3)多路復用功能 多路復用是使用單個測量設(shè)備 來測量多個信號的常用技術(shù)。模擬信號的信號調(diào)理硬件常對緩慢變化的信號使用多路復用方式。 ADC 采集一個通道后，轉(zhuǎn)換到另一個通道并進行采集，然后再轉(zhuǎn)換到下一個通道，如此往復。 (4)濾波功能 在傳感器獲得的測量信號中，往往含有許多與被測量無關(guān)的頻率成分，需要通過信號濾波電路濾掉。濾波電路的功能在于濾除信號中的冗余部分，如高頻信號、傳輸線引進的干擾等，減少由于傳感器內(nèi)阻或傳輸線阻抗等因